JPH02502127A - Coriolis rate sensor with synchronous 1/4 cycle demodulator - Google Patents
Coriolis rate sensor with synchronous 1/4 cycle demodulatorInfo
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- JPH02502127A JPH02502127A JP89501311A JP50131189A JPH02502127A JP H02502127 A JPH02502127 A JP H02502127A JP 89501311 A JP89501311 A JP 89501311A JP 50131189 A JP50131189 A JP 50131189A JP H02502127 A JPH02502127 A JP H02502127A
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。 (57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.
Description
【発明の詳細な説明】 同期1/4サイクル復調器 を有するコリオリレートセンサ 改丘豆1 この発明は、慨してコリオリレートセンサからの出力信号を復調する装置及び方 法に関し、特に、複数のディザ加速度計により生成される信号を同期復調する装 置及び方法に関する。[Detailed description of the invention] Synchronous 1/4 cycle demodulator Coriolis rate sensor with Kaiku beans 1 The present invention generally relates to an apparatus and method for demodulating an output signal from a Coriolis rate sensor. With regard to Regarding the location and method.
l匪圓1遣 成る座標軸の回りの回転角レート(回転角速度)を測定する適当な方法は加速度 計の振動をもたらし、これにより、加速度計は、加速度計の受感軸に垂直な軸に 沿って前後に動くと共に、測定されるべき回転の中心軸に対して垂直に動く1例 えば、もし、加速度計がX、Y及びZの直角座標の標準軸のZ軸と一直線に配列 された受感軸と共に本体に載置されたとすると、周期的運動により加速度計が駆 動されてY軸に沿って前後に振動(即ち、ディザ)する間に、本体がX軸の回り を回転したとき、加速度計はコリオリレート加速度を検出するだろう、加速度計 の出力は、Z軸に沿った本体の加速度を表わす成分と、X軸の回りの本体の回転 を表わす周期的成分とを含む。1 person A suitable way to measure the angular rate of rotation around the coordinate axis consisting of the acceleration vibration of the accelerometer, which causes the accelerometer to move along an axis perpendicular to the sensitive axis of the accelerometer. An example of moving back and forth along the axis and perpendicular to the central axis of rotation to be measured. For example, if the accelerometer is aligned with the Z axis of the standard axes of X, Y and Z Cartesian coordinates, If the accelerometer is placed on the main body with a sensitive shaft, the periodic motion will drive the accelerometer. While the body is being moved and oscillating back and forth (i.e. dithering) along the Y axis, When rotating, the accelerometer will detect the Coriolis rate acceleration, the accelerometer The output of is the component representing the acceleration of the body along the Z axis and the rotation of the body around the X axis. and a periodic component representing .
加速度計出力は、線形加速度及び全3軸X、Y及びZの回りの角レートを生成す るために、X軸及びY軸と一直線に配列され且つZ軸及びX軸に沿って動くそれ ぞれの受感軸を有する複数の加速度計の出力と共に処理され得る。このような信 号処理は、米国特許第4,445,376号及び第4,590,801号明細書 に記載されている。Accelerometer output produces linear acceleration and angular rate around all three axes, X, Y, and Z. that is aligned with the X and Y axes and moves along the Z and X axes in order to The outputs of multiple accelerometers, each with its own sensitive axis, may be processed together. This kind of belief No. 4,445,376 and US Pat. No. 4,590,801 It is described in.
米国特許第4,5i0,802号明細書には、上記レート検出技術をを満たす回 転レートセンサが開示されている。この特許に記載されているように、2つの加 速度計は、各受感軸を平行又は非平行にした平行四辺形構造に載置されている。U.S. Patent No. 4,5i0,802 discloses a circuit that satisfies the above rate detection technique. A conversion rate sensor is disclosed. As described in this patent, two additional The speedometer is mounted on a parallelogram structure with each sensitive axis being parallel or non-parallel.
2つの加速度計は、周期的変動電流で付勢される電磁コイルにより、各受感軸に 対して実質的に垂直な方向に前後に振動される。コイルの変動磁気吸引力は、固 定周波数(典型的には、約100Hz)で振動(ディザ)する平行四辺形構造の 原因となる。一対の加速度計に接続された信号処理装置は、各出力信号を結合し 、レート信号及び線形加速度信号の両方を引き出す、そのような3対の加速度計 は、直角のX、Y及びZ軸のそれぞれに対するレート及び線形加速度を提供する ことができる。Two accelerometers are connected to each sensitive axis by electromagnetic coils energized by periodically varying currents. vibrates back and forth in a direction substantially perpendicular to the The fluctuating magnetic attraction of the coil is A parallelogram structure that oscillates (dithers) at a constant frequency (typically about 100 Hz). Cause. A signal processing device connected to the pair of accelerometers combines each output signal. , three such pairs of accelerometers that derive both rate and linear acceleration signals. provides the rate and linear acceleration for each of the orthogonal X, Y, and Z axes. be able to.
アナログ加速度計は上記コリオリレートセンサに使用されてもよいが、出力信号 のデジタル処理を容易にするために、被検出加速度と共に変化する周波数を有す る振動ビーム加速度計などの出力信号生成手段を用いることが好ましい、′@動 ビーム加速度計において、校正質量は、屈曲ヒンジ及び振動ビーム力検出要素に より支持される。An analog accelerometer may be used for the above Coriolis rate sensor, but the output signal has a frequency that changes with the detected acceleration to facilitate digital processing of the It is preferable to use an output signal generating means such as a vibrating beam accelerometer. In beam accelerometers, the calibration mass is attached to the flexural hinge and the vibrating beam force sensing element. More supported.
駆動回路は、力検出要素を共振周波数で振動させ、その周波数は、力検出要素に 作用する力(即ち、加速度)により変化する。加速度により力が変化するので、 共振周波数は上下に変調される。The drive circuit causes the force-sensing element to vibrate at a resonant frequency, which frequency is applied to the force-sensing element. It changes depending on the applied force (i.e. acceleration). Since force changes depending on acceleration, The resonant frequency is modulated up and down.
レートセンサを備えた一対の振動ビーム加速度計からの出力信号を復調する同期 FMデジタル検出器は、米国特許出願第789.657号明細書に開示されてい る。検出器は、加速度計の被変調共振周波数からレート及び線形加速度データを 引き出し、又、基準信号により画成される各出力信号、即ち第1及び第2の時間 間隔の間の出力信号の位相変化の差について測定する処理手段を含む、一対の加 速度計の周期的運動は、運動信号sinωtにより制御される。第1及び第2の 時間間隔は共に、加速度のコリオリ成分が反対極性を持つ間の、運動信号の1つ 又はそれ以上の全期間を測定する。複数の処理手段は、一対の加速度計が固定さ れる本体の回転角レートを、位相値から決定するために働く。Synchronous demodulation of output signals from a pair of vibrating beam accelerometers with rate sensors An FM digital detector is disclosed in U.S. Patent Application No. 789.657. Ru. The detector obtains rate and linear acceleration data from the modulated resonant frequency of the accelerometer. each output signal defined by a reference signal, i.e. a first and a second time; a pair of additives including processing means for measuring the difference in phase change of the output signal between the intervals; The periodic movement of the speedometer is controlled by the movement signal sinωt. first and second Both time intervals are one of the motion signals during which the Coriolis component of the acceleration has opposite polarity. or more. Multiple processing means have a pair of accelerometers fixed It works to determine the rotational angular rate of the main body from the phase value.
上記方法に従う回転角レートの計算において、いくつかの簡略化する想定がなさ れる0例えば、線形加速度及び角レートの両方は、運動信号の全期間にわたって 、即ち1つの全ディザサイクルにわたって一定であると想定される。加速度計の 出力信号の誤差成分からなる第3及び更に高いオーダの相互結合順は無視される 。この従来技術の同期復調器に用いられる想定は、もし厳しい動的環境即ち速度 、方向及び角回転の早い変化を受ける本体に適用されるなら、実質的且つ受は入 れられない「乱歩(ランダムウオ一り)」誤差に導入されるかもしれない。In calculating the rotational angular rate according to the above method, several simplifying assumptions were made. For example, both the linear acceleration and the angular rate are , i.e. is assumed to be constant over one entire dither cycle. accelerometer Third and higher order mutual coupling orders consisting of error components of the output signal are ignored. . The assumption used for this prior art synchronous demodulator is that if the harsh dynamic environment, i.e. the speed , if applied to a body undergoing rapid changes in direction and angular rotation, substantial and acceptable This may lead to "random walk" errors that cannot be avoided.
従来技術の方法が全波復調技術を用いるので、それは角レート及び線形加速度デ ータが運動中の本体に対して生成し得るレートを厳しく限定する。データレート に対するこの限定は、ディザ周波数が速度及び角度位置の増分変化の時間分解能 を限定するために起こる。この理由のため、加速度計をより早いレートで前後に 振動させるために更に高い周波数の運動信号を用いることが明らかに好ましいだ ろう、しかし、平行四辺形楕遺の質量を100Hzより高い周波数で振動させる ことは現実的に不可能である。早く運動しているミサイル等の動的エナジェティ ック本体に対し、従来技術の方法により提供される0、01秒のデータ分解能期 間は、受は入れられないほど長い。Since the prior art method uses full-wave demodulation techniques, it severely limits the rate at which the data can be generated to the body in motion. data rate This limitation on the dither frequency depends on the time resolution of the incremental changes in velocity and angular position. It happens to limit the. For this reason, the accelerometer can be moved back and forth at a faster rate. It is clearly preferable to use a higher frequency motion signal to oscillate. wax, but make the mass of the parallelogram ellipse vibrate at a frequency higher than 100Hz That is realistically impossible. Dynamic energy of rapidly moving missiles, etc. data resolution period of 0.01 seconds provided by prior art methods for The gap is so long that I can't accept it.
これらの問題を考慮して、この発明の目的は、線形加速度及び回転データの角レ ートが計測されるときのレートを実質的に増大させることである。この発明の更 なる目的は、従来技術法において先に無視された誤差に対して、このように生成 されたデータを訂正することである。In view of these problems, it is an object of this invention to The goal is to substantially increase the rate at which the rate is measured. Updates to this invention The purpose of It is to correct the data that has been
これらの目的及び他の目的並びにこの発明の効果は、添付図面及び以下の好適な 実施例の説明から明らかになるだろう。These and other objects as well as the effects of this invention will be apparent from the accompanying drawings and the following preferred embodiments. It will become clear from the description of the embodiments.
l匪座l甫 複数の直角レート軸の回りの本体の回転角レート及び線形加速度を計測するため の装置は、複数対の加速度計を含む、加速度計の多対は、比レート軸の回りの回 転角レートの測定と関連する。多対からなる2つの加速度計あ受感軸は、その対 が関連する互いに平行に且つレート軸に対して垂直に配列されている。各加速度 計は、その受感軸に沿った加速度計により検出された加速度と一致した周波数を 有する出力信号を生成する。l-za l-fu To measure the rotational angular rate and linear acceleration of a body around multiple orthogonal rate axes The device includes multiple pairs of accelerometers, where the multiple pairs of accelerometers Related to measurement of rotation rate. The two accelerometer sensitive axes, which consist of multiple pairs, are arranged parallel to each other and perpendicular to the rate axis. each acceleration The meter emits a frequency that corresponds to the acceleration detected by the accelerometer along its sensitive axis. generate an output signal with
駆動手段は、加速度計対が関連している加速度計対の受感軸及びレート軸の両方 に対し慨して垂直な方向に、周期的運動信号の関数として、周期的に運動する加 速度計の多対に配設されている。その対の各加速度計からの出力信号は、加速度 計対が関連するレート軸の回りの本体の回転角レートに比例した周期的コリオリ 加速度成分を含む。The driving means includes both the sensitive axis and the rate axis of the accelerometer pair with which the accelerometer pair is associated. A force that moves periodically as a function of a periodic motion signal in a direction generally perpendicular to It is arranged in multiple pairs of speedometers. The output signal from each accelerometer in the pair is the acceleration Periodic Coriolis proportional to the angular rate of rotation of the body about the rate axis to which the meter pair is associated Contains acceleration component.
複数の信号処理手段は、各加速度計からの出力信号及び周期的運動信号を受信す るために接続され、各加速度計対の出力信号の和及び差の関数としての周期的運 動信号の全期間の分数部分の間に、各レート軸に対する本体の速度の増分変化及 び角度位置の増分変化を計測するために働く、各レート軸に対し、速度及び角度 位置の増分変化は、他のレート軸の各々からのクロス軸成分を含む。A plurality of signal processing means receives the output signal from each accelerometer and the periodic motion signal. periodic behavior as a function of the sum and difference of the output signals of each accelerometer pair. Incremental changes in body velocity for each rate axis during the fractional portion of the total period of the motion signal For each rate axis, velocity and angle The incremental change in position includes cross-axis components from each of the other rate axes.
信号処理手段は、これらのクロス軸成分を計測してそれらの貢献度を減算するた めに更に動作し、各レート軸に対する速度及び角度位置の訂正された増分変化を 生成する。The signal processing means measures these cross-axis components and subtracts their contributions. further to calculate the corrected incremental changes in velocity and angular position for each rate axis. generate.
結局、処理手段は、速度及び角度位置の訂正された増分変化の関数、並びに1周 期的運動信号の分数部分の持続時間の関数として、線形加速度及び各レート軸に 対する角レートを計測する。Eventually, the processing means will function as a function of the corrected incremental changes in velocity and angular position, as well as in one revolution. linear acceleration and each rate axis as a function of the duration of the fractional part of the periodic motion signal. Measure the angular rate.
運動信号の分数部分は、好ましくは、周期的運動信号の全期間の1/4からなる 。従って、線形加速度及び角レートは、100Hzの運動信号に対して約400 Hzのレートで計測される。非同期レートセンサに関して、運動信号は各加速度 計対に対して異なる周波数である。The fractional part of the motion signal preferably consists of 1/4 of the total period of the periodic motion signal. . Therefore, the linear acceleration and angular rate are approximately 400 for a 100 Hz motion signal. Measured at a rate of Hz. For asynchronous rate sensors, the motion signal is It is a different frequency for the total pair.
クロス軸誤差成分及びクロス結合誤差成分は、運動信号の上記分数部分の間に計 測される1つ又はそれ以上のレート軸に対する速度及び角度位置の増分変化の関 数として、各レート軸に対して評価されてもよい、更に、信号処理手段は、又、 運動信号の次々の分数部分に対して。The cross-axis and cross-coupled error components are calculated during the above fractional portion of the motion signal. relationship between incremental changes in velocity and angular position relative to one or more rate axes being measured; Further, the signal processing means may also be evaluated as a number for each rate axis. for successive fractional parts of the motion signal.
各レート軸に対する速度及び角度位置の増分変化の移動平均を計測してもよい。A moving average of the incremental changes in velocity and angular position for each rate axis may be measured.
1つの見地において、この発明は、単一のレート軸又は複数のレート軸の両方に 関して、レートセンサから出力される信号を処理するための装置を備えていても よい。In one aspect, the invention provides for both a single rate axis or multiple rate axes. Regarding this, even if it is equipped with a device to process the signal output from the rate sensor. good.
この発明は、更に、慨して上記ステップを遂行することにより、複数の直角レー ト軸に対する回転角レート及び線形加速度を計測するための方法に向けられてい る。The present invention further provides that by generally performing the above steps, a plurality of orthogonal rays can be The present invention is directed to a method for measuring rotational angular rate and linear acceleration relative to an axis. Ru.
の fE! 第1図は3つの直角軸に関する本体の回転角レート及び本体の線形加速度を計測 するためのシステムを示す概略図である。The fE! Figure 1 measures the rotational angular rate and linear acceleration of the main body about three orthogonal axes. 1 is a schematic diagram showing a system for doing so.
第2図は互いに非平行に配列された受感軸を有する2つの振動ビーム加速度計を 示す概略図である。Figure 2 shows two vibrating beam accelerometers with sensitive axes arranged non-parallel to each other. FIG.
第3図は一対の加速度計を振動(ディザ)させるために印加される周期的運動信 号の1/4サイクル期間を示すグラフ図である。Figure 3 shows a periodic motion signal applied to vibrate (dither) a pair of accelerometers. It is a graph diagram showing a quarter cycle period of an issue.
第40は一対の加速度計からの出力信号の復調、並びに、従来技術に従ってレー ト計算用に和信号及び差信号を生成するための復調された信号の結合を示す概念 図である。No. 40 demodulates the output signals from the pair of accelerometers, as well as the laser according to the prior art. Concept showing the combination of demodulated signals to produce sum and difference signals for calculation of It is a diagram.
第5図は加速度計の出力信号から角レートを計測するためのシステムを示すブロ ック図である。Figure 5 is a block diagram showing a system for measuring angular rate from the output signal of an accelerometer. This is a diagram.
第6図は一対の加速度計からの出力信号の関数として速度の増分変化を計算する ためのステップを示す説明図である。Figure 6 calculates the incremental change in velocity as a function of the output signals from a pair of accelerometers. It is an explanatory diagram showing steps for.
第7図は速度の増分変化の間数及びクロス軸結合の関数として1つの軸に対する レートを計算に用いられるステップを示すブロック図である。Figure 7 shows the incremental change in velocity for one axis as a function of interval number and cross-axis coupling. FIG. 2 is a block diagram illustrating the steps used to calculate rates.
第8図は、全ディザ期間の1/4サイクルに対して、3つの直角軸の各々に対す る速度の増分変化、並びに、3つの軸に対する回転成分の平均角レートを計測す るためのこの発明の同期レートセンサの実施を示すブロック図である。Figure 8 shows the relationship between each of the three orthogonal axes for 1/4 cycle of the total dither period. to measure the incremental change in velocity as well as the average angular rate of the rotational components about the three axes. 1 is a block diagram illustrating an implementation of the synchronous rate sensor of the present invention for
第9図は、3つの直角軸の各々に対する速度の増分変化、並びに、全ディザ期間 の先行する1/4サイクル部分から評価された誤差に基づいてそれらの軸に対す る平均回転角レートを計測するための、この発明の非同期レートセンサの実施を 示す概略口である。Figure 9 shows the incremental change in velocity for each of the three orthogonal axes, as well as the total dither period. for those axes based on the error estimated from the previous 1/4 cycle portion of Implementation of the asynchronous rate sensor of the present invention for measuring the average rotational angular rate This is the approximate mouth shown.
t の ス 本体が受ける回転角レート及び線形加速度の成分を概略的に計測するためのシス テムは、例えば、第1図に示されている。座標軸X、Y及びZは、本体に任意に 固定され、線形加速度及び回転角レートの成分は、各軸に沿って測定される1本 体の回転角レートは、ベクトルqにより定義され、線形加速度又は本体に働く特 定方向力はベクトル八により定義される。一般に、q及びΔの両方は、時間と共 に変化してもよく、 Ω= P + Q + R(1) Δ= Fx十Fy+ Fz (2)として表現されてもよい、こ こで、P、Q及びRは、それぞれX、Y及びZ軸の回りの回転角レートのベクト ル成分であり、Fx、Fy及びFzは、それぞれX、Y及びZ軸に沿った方向に 向いた特定方向力の成分と等しい。t's A system for roughly measuring the rotational angular rate and linear acceleration components that the main body receives. The system is shown, for example, in FIG. The coordinate axes X, Y and Z can be set arbitrarily on the main body. fixed, linear acceleration and rotational angular rate components are measured along each axis The angular rate of rotation of the body is defined by the vector q, which is defined by the linear acceleration or force acting on the body. Directed force is defined by vector 8. In general, both q and Δ change with time. It may change to Ω= P + Q + R(1) This may be expressed as Δ = Fx + Fy + Fz (2) Here, P, Q, and R are vectors of rotational angular rates around the X, Y, and Z axes, respectively. Fx, Fy, and Fz are the components along the X, Y, and Z axes, respectively. It is equal to the component of the force in the specific direction.
第1図に示したシステムは、3対の振動ビーム加速度計、10及び12.14及 び16、並びに、18及び20を含む、加速度計10及び】2は、Y軸に沿って 前後に振動(ディザ)し、χ軸の回りの角レートPの測定に関連する。加速度計 14及び16はZ軸に沿って前後に振動し、Y軸の回りの角レートQの測定に関 連する。加速度計18及び20はX軸に沿つ上前後に振動し、Z軸の回りの角レ ートRの測定に関連する。The system shown in Figure 1 consists of three pairs of vibrating beam accelerometers, 10 and 12. Accelerometers 10 and 2, including 16 and 18 and 20, It oscillates back and forth (dithers) and is associated with the measurement of the angular rate P about the χ axis. Accelerometer 14 and 16 oscillate back and forth along the Z axis and are related to the measurement of the angular rate Q around the Y axis. continue. Accelerometers 18 and 20 oscillate back and forth up and down along the related to the measurement of root R.
各加速度計対は、受感軸を逆方向に向けて又は非平行にして、背中合わせに取り 付けられている6例えば、加速度計10はZ軸の正方向に向けられた受感軸を有 し、加速度計12はZ軸の負方向に向けられた受感軸24を有する。Each accelerometer pair is mounted back-to-back with the sensitive axes facing in opposite directions or non-parallel. For example, the accelerometer 10 has a sensitive axis oriented in the positive direction of the Z axis. However, the accelerometer 12 has a sensitive axis 24 oriented in the negative direction of the Z axis.
同様の形で、加速度計14及び16はX軸に配列されたそれぞれの受感軸を有し 、加速度計18及び20はY軸に配列されたそれぞれの受感軸を有する。In a similar fashion, accelerometers 14 and 16 have respective sensitive axes aligned with the X-axis. , accelerometers 18 and 20 have their respective sensitive axes aligned with the Y-axis.
加速度計10及び12は、Y軸と平行の支持要素28及び30を含み且つピボッ ト35から38を介して一対の結合要素32及び34にt#続された、平行四辺 形の取付システム26内に支持されている。結合要素32及び40は、中央ピボ ット39及び40において適切な支持構造に取り付けられている。Accelerometers 10 and 12 include support elements 28 and 30 parallel to the Y axis and pivoted. A parallelogram connected to a pair of connecting elements 32 and 34 via ports 35 to 38 It is supported within a shaped mounting system 26. Coupling elements 32 and 40 have a central pivot It is attached to a suitable support structure at cuts 39 and 40.
支持要素28及び30は、結合要素32及び34を中央ピボット39及び40の 回りで周期的に(例えば、正弦波的に)前後に振動させる適切な駆動8!楕に接 続され、これにより、支持要素及び加速度計をY軸に沿って振動させている。加 速度計10の振動運動は、加速度計12の振動運動に対して18o°の位相外れ であり、例えば、加速度計10がY軸の正方向に運動しているとき、加速度計1 2は同じ速さでY軸の負方向に運動している。第1図に示した平行四辺形構造を 実施するための適切な装置は、米国特許第4,510,802号明細書に記載さ れている。加速度計対14及び16、並びに、18及び20は、それぞれの受感 軸を背中合わせにして同様の平行四辺形構造に取り付けられており、同様の適切 な駆動機構により正弦波的に前後に振動するように駆動される。Support elements 28 and 30 connect coupling elements 32 and 34 to central pivots 39 and 40. Appropriate drive to vibrate back and forth periodically (eg, sinusoidally) around the 8! tangent to the ellipse The support element and the accelerometer are then oscillated along the Y axis. Canada The vibratory motion of the speedometer 10 is 18° out of phase with the vibratory motion of the accelerometer 12. For example, when the accelerometer 10 is moving in the positive direction of the Y axis, the accelerometer 1 2 are moving in the negative direction of the Y axis at the same speed. The parallelogram structure shown in Figure 1 is Suitable equipment for carrying out the implementation is described in U.S. Pat. No. 4,510,802. It is. Accelerometer pairs 14 and 16, and 18 and 20 have their respective sensing It is mounted on a similar parallelogram structure with the axes back to back and has similar suitable It is driven to vibrate back and forth in a sinusoidal manner by a driving mechanism.
この発明は、第1図に示した背中合わせの構造に限定されず、代わりに、1つ又 はそれ以上の加速度計が、受感軸と関連した成る角度で、受感軸に垂直な軸に沿 って振動される又は平面内で回転される全ての構造に対して適用可能であること が理解されるだろう、このような構造は、上記米国特許第4,445,376号 及び第4,509,801号明細書に記載されている。The invention is not limited to the back-to-back configuration shown in FIG. is the angle over which the accelerometer lies relative to the sensitive axis and along an axis perpendicular to the sensitive axis. Applicable to all structures that are vibrated or rotated in a plane. It will be appreciated that such a structure is described in U.S. Pat. No. 4,445,376, supra. and No. 4,509,801.
加速度計10及び12のY軸に沿った周期的振動は、X軸の回りの本体の回転レ ートと交互作用して、Z方向に沿って作用するコリオリカを生成する。従って、 各加速度計10及び12からの出力信号は、本体のZ軸に沿った線形加速度に起 因する成分と、Z軸の回りの回転レートに比例した第2の成分Pとを含む、同様 に、加速度計対14及び16は、X軸に沿った方向に向いた線形加速度と等しい 成分と、コリオリ加速度と一致したY軸の回りの回転レート成分Qと、による出 力信号を有する。同様に、加速度計対18及び20は、Y軸に沿った方向に向い た線形成分と、コリオリ加速度の関数であるZ軸の回りの角レート成分Rと、を 有する出力信号を生成する。線形加速度信号をコリオリ信号即ちレート信号から 隔離するために用いられる方法は、以下に詳細に記載されている。The periodic oscillations of accelerometers 10 and 12 along the Y-axis result in rotational rotation of the body about the X-axis. interacts with the sheet to produce Coriolis acting along the Z direction. Therefore, The output signal from each accelerometer 10 and 12 is caused by linear acceleration along the Z-axis of the body. and a second component P proportional to the rotation rate about the Z axis. , the accelerometer pair 14 and 16 is equal to the linear acceleration directed along the X-axis. component and the rotation rate component Q around the Y axis that coincides with the Coriolis acceleration. has a force signal. Similarly, accelerometer pairs 18 and 20 are oriented along the Y axis. and the angular rate component R around the Z axis, which is a function of the Coriolis acceleration. generate an output signal with Converting the linear acceleration signal from the Coriolis signal or rate signal The methods used to isolate are described in detail below.
ここで、第2図について説明すると、加速度計10は、校正質量42、力検出要 素44、駆動回路46及び支持部48を含む従来の振動ビーム加速度計から構成 されてもよい。Here, to explain FIG. 2, the accelerometer 10 includes a calibration mass 42, a force detection element Consisting of a conventional vibrating beam accelerometer including an element 44, a drive circuit 46 and a support 48. may be done.
力検出要素は、好ましくは、米国特許第4,215,570号明細書に図示され たように、両面同調フォーク構造を有する水晶からなっている。駆動回路46は 、力検出要素を特殊共振周波数11で振動させ、駆動回路46の出力は、その周 波数の関数である信号S、である1校正質量42は、屈曲ヒンジ50により支持 部48に取り付けられ、屈曲ヒンジは、屈曲ヒンジを通過する軸の回りの校正質 量の運動を可能にしており、その運動は第2図の図面平面に対して垂直である。The force sensing element is preferably as illustrated in U.S. Pat. No. 4,215,570. As shown, it is made of crystal with a double-sided tuning fork structure. The drive circuit 46 , the force sensing element is vibrated at a special resonance frequency 11, and the output of the drive circuit 46 is A calibration mass 42, which is a signal S, which is a function of wave number, is supported by a flexure hinge 50. The flexural hinge is attached to the flexural hinge 48 and the flexural hinge is attached to the flexural hinge. 2, allowing movement of the quantity, which movement is perpendicular to the drawing plane of FIG.
力検出要素44は、Z軸と平行に配列され、支持部48に取り付けられた一端と 、校正質量42に取り付けられた第2端とを有する。これにより、校正質量は、 屈曲ヒンジにより一端がつるされ、力検出要素によりその他端がつるされている 。The force sensing element 44 is arranged parallel to the Z-axis and has one end attached to the support 48 . , and a second end attached to the calibration mass 42. As a result, the calibration mass is Suspended at one end by a flexure hinge and at the other end by a force-sensing element .
加速度計12は、本質的に加速度計10を鏡に写した形状であり、校正質量52 、力検出要素54、駆動回路56、支持部58及び屈曲ヒンジ60を含む、駆動 回路56は、力検出要素54を特殊共振周波数f、で振動させ、その周波数の関 数である出力信号S2を生成する。Z軸に沿った加速度は、各校正質量にそれぞ れの力検出要素上の張力又は圧力を作用させ、それは力検出要素の共振周波数を 増加又は減少させる。従って、各力検出要素は、周波数が加速度信号をキャリア 信号に変調するようにした、力から周波数への力周波数変化器として動作し、キ ャリア信号は力検出要素の零加速度共振周波数f、又はf2、である、第2図に 示した構造において、各加速度計対の力検出軸は、非平行、即ち互いに反対方向 に向いており、Z軸に沿った成る加速度は、1つの力検出要素に圧力をもたらし 、他の力検出要素に張力をもたらすだろう、従って、周波数f1及びf、は、Z 軸に沿った成る線形加速度に応答して反対方向に変化するだろう、他の2対の加 速度計14及び16、並びに、18及び20は、第2図に示すように、それぞれ 加速度計10及び12と同様の形状である。Accelerometer 12 is essentially a mirror image of accelerometer 10 and includes a calibration mass 52. , a force sensing element 54, a drive circuit 56, a support 58 and a flexure hinge 60. The circuit 56 causes the force sensing element 54 to vibrate at a special resonant frequency f, and generates an output signal S2 which is a number. The acceleration along the Z axis is calculated separately for each calibration mass. exerts a tension or pressure on the force-sensing element, which increases the resonant frequency of the force-sensing element. increase or decrease Therefore, each force-sensing element has a frequency that carries the acceleration signal. Acts as a force-to-frequency force-frequency changer, modulating the signal. The carrier signal is the zero acceleration resonant frequency f, or f2, of the force sensing element, as shown in FIG. In the structure shown, the force sensing axes of each accelerometer pair are non-parallel, i.e. in opposite directions. The acceleration along the Z-axis results in a pressure on one force-sensing element. , will result in tension on the other force-sensing elements, therefore the frequencies f1 and f, The other two pairs of additions will vary in opposite directions in response to the linear acceleration along the axis. Speedometers 14 and 16, and 18 and 20, respectively, as shown in FIG. It has a similar shape to accelerometers 10 and 12.
次に、第3図について説明すると、周期的ディザ信号70は、時刻t0からt6 で、その1/4サイクル周期の期間においてグラフ的に示されており、その位相 は、加速度肝対lO及び12などのレートセンサにより生成されるコリオリ信号 72と比較されている。上記米国特許出願明細書箱789,657号に記載され た、複数のレートセンサからの出力信号を処理するための従来技術方法において 、出力信号は、以下のように、2つの半サイクル間隔t、からtコ、及び1.か ら1Sにわたって積分される。Next, referring to FIG. 3, the periodic dither signal 70 is transmitted from time t0 to t6. is shown graphically in the period of 1/4 cycle period, and its phase is is the Coriolis signal generated by a rate sensor such as acceleration vs. lO and 12 It has been compared with 72. As described in the above U.S. Patent Application Box 789,657: Additionally, in a prior art method for processing output signals from multiple rate sensors, , the output signals are separated by two half-cycle intervals t, to t, and 1. mosquito is integrated over 1S.
但し、全ディザ期間は、4つのクロスハツチングされた1/4サイクル、例えば 時刻t、から1.まで、と一致する。However, the total dither period consists of four cross-hatched quarter cycles, e.g. 1 from time t. Matches up to .
iKI及びに2は、加速度計と関連するゲイン定数である。iKI and 2 are gain constants associated with the accelerometer.
方程式3が、ディザ期間の第1の半サイクル及び第2の半サイクルに対して、加 速度における第2次の方程式の時間積分間の差を決定することは明らかであろう 、更に、従来技術は、(加速度計10及び12に対する)平均加速度1が以下の 方程式により定義されることを示した。Equation 3 is added for the first half cycle and the second half cycle of the dither period. It will be clear that determining the difference between the time integrals of the second order equation in velocity , further, the prior art states that the average acceleration 1 (for accelerometers 10 and 12) is It was shown that it is defined by Eq.
但し、ρは最大ディザ振幅、tは時間、Pはレート、FはZ軸に沿った特定方向 力(Fに関連した士は、出力信号を生成する一対のうちの2つの加速度計依存す る)である。where ρ is the maximum dither amplitude, t is the time, P is the rate, and F is the specific direction along the Z axis. The force (related to F) depends on the two accelerometers of the pair that generate the output signal. ).
方程式(4)は、コリオリ加速度成分(2ρωP cosωt)及び特定方向力 成分Fの両方を受けるときに、加速度計10及び12から出力される2つの信号 S1及びS2を計測するため、方程式(3)により代用されてもよい、従来技術 の同期復調方法は、全ディザサイクルにわたって位相差を測定し、各ディザサイ クル毎にx、Y及びZ軸のそれぞれに対する速度の増分変化及び角度位置の増分 変化を決定する。Equation (4) is the Coriolis acceleration component (2ρωP cosωt) and the specific directional force. Two signals output from accelerometers 10 and 12 when receiving both component F Prior art, which may be substituted by equation (3) to measure S1 and S2 The synchronous demodulation method measures the phase difference over the entire dither cycle and Incremental change in velocity and incremental change in angular position for each of the x, Y, and Z axes for each vehicle Decide on change.
これらの計算を作成する場合、従来技術方法は、典型的に(100Hzと等しい ディザ周波数に対して)約0.01秒の全ディザ期間にわたって特定方向力F及 びレートが実質的に一定であると仮定している。又、上記特許出願に開示された 従来技術は、一般に軸間のクロス結合を無視している。When making these calculations, prior art methods typically (equal to 100 Hz) For the dither frequency), the specific directional force F and the It is assumed that the growth rate is essentially constant. Also, the patent application disclosed in the above patent application The prior art generally ignores cross-coupling between axes.
特定方向力及び角レートの両方が一定でないクロス軸結合を受けるシステム内に おいて、加速度計により受感軸に沿って検出される加速度の実際の拡張量は、Y 軸内で振動される加速度計に対する以下の方程式Ikl又はa3、により与えら れる。In a system subject to cross-axis coupling where both the specific directional force and the angular rate are not constant. , the actual expansion of the acceleration detected by the accelerometer along the sensitive axis is Y Given by the following equation Ikl or a3, for an accelerometer vibrated in the axis: It will be done.
<、xは加速度計の衝撃中心のオフセットと等しく、zは(r2y2)l/2と 等しく、「はディザ運動の半径であり、ωはディザ周波数である。同様の方程式 は、加速度計14及び1B、並びに、18及び20が前後に振動する方向に沿っ た他の直角軸に対して展開されてもよい、方程式(5)の右辺の第1項はコリオ リ加速度成分と一致し、第2項は、加速度計の衝撃中心のオフセットにより受感 軸から加速度計が受ける求心加速度から生じ、第3項はコリオリ加速度と求積さ れる振動求心加速度と一致し、第4項は、平行四辺形の有限のオフセットによる 求心加速度、即ちY軸の上又は下の平行四辺形の高さであり、第3項は、振動さ れる平行四辺形構造の幾何のためにわずかに曲がった通路に沿って加速度計が前 後に振動することによって起こる。「二重浸せき」によるZ軸に沿った加速度で あり、最後の項は、加速度計が受ける線形加速度(特定方向力)である、又、特 定方向力に印加される信号は、信号を生成している加速度計対に依存する。<, x is equal to the offset of the accelerometer shock center, and z is (r2y2)l/2 Equally, is the radius of the dither motion and ω is the dither frequency.A similar equation is along the direction in which accelerometers 14 and 1B and 18 and 20 vibrate back and forth. The first term on the right-hand side of equation (5), which may be expanded with respect to other orthogonal axes, is a Corio The second term is sensitive to the offset of the impact center of the accelerometer. arises from the centripetal acceleration experienced by the accelerometer from the axis, and the third term is quadratured with the Coriolis acceleration. The fourth term is due to the finite offset of the parallelogram. The centripetal acceleration is the height of the parallelogram above or below the Y axis, and the third term is the vibration The accelerometer is placed in front along a slightly curved path due to the geometry of the parallelogram structure. This occurs due to subsequent vibrations. With acceleration along the Z-axis due to "double immersion" The last term is the linear acceleration (force in a specific direction) that the accelerometer is subjected to. The signal applied to the directional force depends on the accelerometer pair that is generating the signal.
従って、(5)式の右辺の全ての項のうち第1項及び最後の項を除く全ての項は 、コリオリ加速度による角レート及び特定方向力Fを正確に計測するために考慮 しなければならない誤差成分であることが明らかであろう、従来技術の信号処理 方法は、それらの誤差を考慮していたが、それらが重要となる高い動的環境にお いてそれらを扱う手段を提供しなかった。Therefore, among all terms on the right side of equation (5), all terms except the first and last term are , considered in order to accurately measure the angular rate due to Coriolis acceleration and the specific directional force F. It is clear that the error component that must be The method took those errors into account, but in highly dynamic environments where they become important. and provided no means to handle them.
方程式(3)は、以下の式を生じるために、方程式(5)で与えられる「a」の 値に対する間隔にわたって、K l&の積分に対して代用することにより展開さ れてもよい。Equation (3) is modified by changing the value of “a” given in equation (5) to yield the following equation: Expanded by substituting for the integral of K l & over the interval for values, You may be
−z 5 P”dt −z 5 Q2dt+5 Fdt (6)ディ ザ信号の1/4サイクルの最初及び最後と同期させながら積分の最初及び最後の 時刻点を選択することにより、cos2nωtの項の積分が零となるように信号 は生成され得る。P、Q及びRレートに対して同時に解くことができ、又、方程 式(6)に対する解決を決定するために、先に解かれた値をこれらのレートに対 して交互に用いることができる。同様に、方程式(6)における線形振動項は、 速度の増分変化に対する観測センサ信号に関する2つの結合された一般方程式を 解くことにより補償されることができ、従って、その結果は角度位置の増分変化 に対して解くために用いられる。この解法の詳細は、以下の記述に示される。-z 5 P”dt -z 5 Q2dt+5 Fdt (6) D The beginning and end of the integral are synchronized with the beginning and end of the quarter cycle of the signal. By selecting a time point, the signal is adjusted so that the integral of the cos2nωt term becomes zero. can be generated. It can be solved simultaneously for P, Q and R rates, and the equation To determine the solution to equation (6), we apply the previously solved values to these rates. can be used alternately. Similarly, the linear vibration term in equation (6) is The two coupled general equations for the observed sensor signal for incremental changes in velocity are can be compensated for by solving for It is used to solve for. Details of this solution are given in the description below.
ここで、第4図について説明すると、各加速度計対10及び12.14及び16 、並びに、18及び20からレート計算のなめに出力される信号に必要な処理の 概念図が示されている1例えば、信号SIは加速度計10からの出力信号を表わ し、信号S、は加速度計12からの出力信号を表わしてもよい、従来技術方法に おいて、加速度計から出力される信号は、全ディザサイクルにわたって同期的に 復調された。しかし、この発明において、これらの信号は、全ディザサイクルの 一部、好ましくは全ディザ周期の1/4にわたって復調される。前述したように 、各加速度計10及び12からの出力は、加速度計に用いられる水晶の共振周波 数を表わすキャリア周波数からなり、この周波数は、加速度計により検出された 加速度と一致した周波数で変調される。従って、加速度計10及び12の共振周 波数に関する水晶の応答は、以下の方程式により近似される。Now, referring to FIG. 4, each accelerometer pair 10 and 12, 14 and 16 , and the processing necessary for the signals output from 18 and 20 for rate calculation. For example, signal SI represents the output signal from accelerometer 10. and signal S, may represent the output signal from accelerometer 12, according to prior art methods. , the signal output from the accelerometer is synchronous throughout the dither cycle. demodulated. However, in this invention, these signals are It is demodulated over a portion, preferably 1/4 of the total dither period. As previously mentioned , the output from each accelerometer 10 and 12 is at the resonant frequency of the crystal used in the accelerometer. consists of a carrier frequency representing the number of frequencies detected by the accelerometer. It is modulated at a frequency that matches the acceleration. Therefore, the resonance frequency of accelerometers 10 and 12 is The response of the crystal with respect to wavenumber is approximated by the following equation:
F II=K 1111(1+ K 2111) (7)F t*= K +za+(1+ K 2za*) (8)但し、 K、及びに、1は加速度計10に関連するゲイン因子を表わし、K12及びに2 2は加速度計12に関連するゲイン因子を表わす、値a、及びa、は2つの加速 度計から検出された加速度を一致し、レート従属項a、を表わす2つの成分に隔 離されてもよい、又、特定方向力の項Fは、以下の通りである。F II = K 1111 (1 + K 2111) (7) F t*=K+za+(1+K2za*) (8) However, K and 1 represent the gain factors associated with the accelerometer 10, K12 and 2 2 represents the gain factor associated with the accelerometer 12, the values a and a are the two accelerations. The acceleration detected from the accelerometer is matched and separated into two components representing the rate dependent term a. The term F of the specific direction force that may be released is as follows.
a、+ −ap 十F (9)az=ap −F (10)加速度計10及び12からの 出力は、復調器74及び76を用いる関数S G N eosωtによって、従 来技術のレートチャネル計算に対して適切に復調された周期的信号である。シン ボルSGNは、十又は−「の符号」を意味する。復調器74及び76は、ディザ サイクルの分数部分、例えば第3図に示したような1.からt2の間に、上記方 程式(7)及び(8)のそれぞれ積分された周波数F I+及びF、2と一致し た計数を蓄積する。W積計数からの結果としての周波数F−1及びF、2の積分 は、方程式(9)及び(10)の右辺を方程式(7)及び(8)のal及びa2 の値に対して代用することにより展開されてもよい、総和接合78は、積分され た周波数、即ち復調器74及び76からの計数出力を加算するために用いられ、 総和接合80はそれらの計数を減算し、和信号ΣS及び差信号ΔSを提供する。a, + -ap 10F (9) az=ap -F (10) From accelerometers 10 and 12 The output is determined by the function S G N eosωt using demodulators 74 and 76. It is a periodic signal properly demodulated for prior art rate channel calculations. Shin Bol SGN means 10 or - "sign". Demodulators 74 and 76 are dithered. Fractional parts of the cycle, such as 1. as shown in FIG. Between t2 and t2, the above The integrated frequencies F in Equations (7) and (8) respectively coincide with I+ and F,2. Accumulate the calculated counts. Integration of frequencies F-1 and F,2 resulting from W product counting is the right side of equations (9) and (10) as al and a2 of equations (7) and (8) The summation junction 78, which may be expanded by substituting for the value of is used to add the counted outputs from demodulators 74 and 76, A summing junction 80 subtracts the counts and provides a sum signal ΣS and a difference signal ΔS.
この発明において、ΣS及びΔSの値は、信号sinωtn−sinωtn−I により決定される時間だけ積分された蓄積計数を用いるソフトウェアで計測され 、各1/4ディザ周期毎に±1まで変化する。In this invention, the values of ΣS and ΔS are determined by the signal sinωtn-sinωtn-I is measured by software using cumulative counts that are integrated over a period of time determined by , changes up to ±1 every 1/4 dither period.
角レート及び線形加速度の計算を簡略化するため、この発明におけるΣS及びΔ Sの値は、以下の方程式に示すように結合され得る。To simplify the calculation of angular rate and linear acceleration, ΣS and Δ The values of S may be combined as shown in the equation below.
Σs−bΔ5=2i(ap+dap”)dt−2((bF−dF’)dt ( 11)Δs−bΣS= 2 S F(1+dap)dt 2 S apdt (12)但し、b及びdはゲイン定数に2+及びに22の比率( 第6図参照)である、以下の記述において、方程式(11)の左辺はS rat eと称し、又、方程式(12)の左辺は5velと称する。Σs−bΔ5=2i(ap+dap”)dt−2((bF−dF’)dt( 11) Δs-bΣS=2S F(1+dap)dt 2S apdt (12) However, b and d are the ratio of 2+ and 22 to the gain constant ( In the following description, the left side of equation (11) is S rat e, and the left side of equation (12) is called 5vel.
方程式(11)及び(12)に示すように、総和接合フ8及び80からの和信号 及び差信号の結合は、コリオリ加速度と加速度計10及び12により検出された 特定方向力との間のクロス結合からの結果となる項を除去する。ディザ周期の、 分数の1/4サイクルにわたって、方程式(12)は速度の増分変化に対して解 くことができ、又、方程式(11)はX軸の回りの角度位置の増分変化に対して 解いてもよい。The sum signals from summation junctions 8 and 80 as shown in equations (11) and (12) and the combination of the difference signals detected by Coriolis acceleration and accelerometers 10 and 12 Remove terms resulting from cross-coupling with specific directional forces. of dither period, Over a fractional quarter cycle, equation (12) is solved for incremental changes in velocity. and equation (11) for incremental changes in angular position about the X-axis. You can solve it.
角レート及び線形加速度に対する従来技術の解法において、方程式(11)及び (12)は、ディザ駆動信号の全余弦周期にわたって総和することにより、全波 復調で結合され、方程式(11)は他の半分の間の計数からディザサイクルの半 分の間に蓄積された計数を減することにより解かれる。もし、加速度計が取り付 けられる本体が、ディザ周波数よりずっと低い周波数で運動を経験した場合、従 来技術の解決による誤差は一般に±0.01%より小さい。In prior art solutions for angular rate and linear acceleration, equations (11) and (12) can be obtained by summing over all cosine periods of the dither drive signal. Combined in demodulation, equation (11) converts one half of the dither cycle from the counts during the other half. Solved by subtracting the counts accumulated during minutes. If the accelerometer is installed If the body being kicked experiences motion at a frequency much lower than the dither frequency, the Errors with prior art solutions are generally less than ±0.01%.
しかし、もし、本体が、100Hzデイザ駆動信号より実質的に高い周波数で高 い周波数の動的加速度を受け、直角のX、Y及びZ軸の回りの回転レートが変化 した場合、角回転及び線形加速度を解くための従来技術方法は、重要な誤差を生 じる。However, if the main unit is operating at a frequency substantially higher than the 100Hz dither drive signal, The rotation rate around the orthogonal X, Y, and Z axes changes under dynamic acceleration at a high frequency. When angular rotation and linear acceleration are Jiru.
この発明は、方程式(11)及び(12)を減結合させて、角度増分変化及び速 度の増分変化に対する解決における非線形性の影響を減じるための装置及び方法 を提供する。This invention decouples equations (11) and (12) to determine the angle incremental change and speed. Apparatus and method for reducing the effects of nonlinearity in solutions to incremental changes in degree I will provide a.
又、全ディザ周期の1/4サイクルの間にこれらの値を計測することは、従来技 術の全サイクルの復調にわたって4の因子によるデータレートを増大させる。Also, measuring these values during 1/4 cycle of the total dither period is not possible with conventional techniques. The data rate is increased by a factor of 4 over the entire demodulation cycle of the procedure.
角レートPの計測は、加速度計10及び12に関連し、それらの受感軸に沿った 方向に向いた特定方向力Fは2ステツプの手順を含む、最初に、速度の増分変化 に対する値ΔVが得られ、その後、この値は、更に複雑な方程式を解いて角度位 置Δθの増分変化を計測するために用いられる。データを生成する加速度計対に よって測定される回転角レート及び特定方向力を生じる、速度及び角度位置の増 分変化が、それらの変化が起きる間の時間間隔により分割されてもよいことは明 らかであろう。The measurement of angular rate P is associated with accelerometers 10 and 12 along their sensitive axes. The directed force F involves a two-step procedure: first, an incremental change in velocity; The value ΔV for Used to measure incremental changes in position Δθ. to the accelerometer pair that generates the data The increase in velocity and angular position results in a rotational angular rate and a specific directional force that is thus measured. It is clear that minute changes may be divided by the time interval between which those changes occur. It will be clear.
方程式(12)を用いて、速度の増分変化に対して解くために、以下の式が引き 出されてもよい。Using equation (12), to solve for incremental changes in velocity, the following equation is drawn: May be served.
Δv=1ΔS−b[ΣS+4 pΔθp(sinωtp>/ Tp”2XΔQ] +但し、TpはY軸に沿って前後に振動する間の加速度計10及び12の全ディ ザ周期の1/4と等しい時間間隔を表わし、tp及びtp−1は1/4ディザ周 期離れた時間の点を表わす、t、及びLp−1がsinω波形の零クロスに落ち るので、sinωtp Sjnωtp−1の値は、+1及び−1のどちらかに なるだろう、方程式(13)においてΔθ、を含む項は、どれも無視することが でき、又は、先行分数部分からのX軸の回りの角度位置の増分変化に対する値は 、ΔVの計算における評価として用いられることができる。角度位置の増分変化 Δθ、が、角速度の増分変化ΔVに非常に弱く結合しているので、Δθ、が現れ るそれらの項を無視することは、一般に、受は入れられ得る。無視できない1つ の項は、ΔQxである。この項は、Y軸の回りの角レートの結合を含み、1/4 サイクルの分数時開間隔にわたるxQdtの積分に等しい、もし、この間隔がテ ィラー展開を用いて展開された場合、以下の方程式が得られる。Δv=1ΔS−b[ΣS+4 pΔθp(sinωtp>/Tp”2XΔQ] + However, Tp is the total diode of accelerometers 10 and 12 while vibrating back and forth along the Y axis. represents a time interval equal to 1/4 of the dither period, and tp and tp-1 are 1/4 dither period. t and Lp-1, which represent points at different times, fall at the zero cross of the sinω waveform. Therefore, the value of sinωtp Sjnωtp-1 can be either +1 or -1. Any term containing Δθ in equation (13) can be ignored. or the value for the incremental change in angular position around the X-axis from the preceding fractional part is , ΔV can be used as an evaluation in calculation. Incremental change in angular position Since Δθ, is very weakly coupled to the incremental change in angular velocity ΔV, Δθ, appears. Ignoring those terms can generally be accepted. One thing you can't ignore The term is ΔQx. This term includes the combination of angular rates around the Y axis, 1/4 equal to the integral of xQdt over the fractional interval of the cycle, if this interval When expanded using the Filler expansion, the following equation is obtained.
ΔQに=5xQt =xi((Δθq−Δθq−1)(T−/TQ)+ (QQ−2QQ−1)<T p/TO)[1/2(ip+tp−+ )−t□、コ))但し、Tp及びTQは 、加速度計対10及び12.14及び16、並びに、18及び20にそれぞれ関 連するXレート軸及びYレート軸に対する1/4デイザ周期であり、tp及びt qは、それらの加速度肝対に対する測定の電流時間を表わす。ΔQ=5xQt =xi((Δθq−Δθq−1)(T−/TQ)+(QQ−2QQ−1)<T p/TO) [1/2(ip+tp-+)-t□, ko)) However, Tp and TQ are , accelerometer pairs 10 and 12, 14 and 16, and 18 and 20, respectively. 1/4 dither period for consecutive X rate axes and Y rate axes, tp and t q represents the current time of measurement for those acceleration liver pairs.
Δθq及びΔθQ−+は−tq及びtQ−+及びQqの間の振動周期の電流分数 部分の間のY軸の回りの角度位置の増分変化の差からなり、Qq−+及びQQ− 2は、2つの次々の1/4サイクル部分tQ−tからtqまでの時間からTQま での間に、Y軸に対して計測された角レートを表わす、又、もちろん、1つ又は それ以上先行する1/4周期にわたる平均dの項において、ΔQに対する値を評 価することは可能である。もし、ΔV及びΔθに対する値が3つの直角軸X、Y 及びZのそれぞれについて同時に解かれた場合。Δθq and ΔθQ−+ are the current fractions of the oscillation period between −tq and tQ−+ and Qq Consists of the difference in incremental change in angular position about the Y axis between the parts, Qq−+ and QQ− 2 is the time from two successive 1/4 cycle portions tQ-t to tq to TQ. and, of course, represent the angular rate measured with respect to the Y-axis between Evaluate the value for ΔQ in terms of average d over the preceding 1/4 period. It is possible to value it. If the values for ΔV and Δθ are three orthogonal axes X, Y and Z are solved simultaneously.
方程式(13)の同様の各直角軸に沿ったΔVに対する3つの方程式は、同時に 解かれ、ΔQの値を計測することができる。The three equations for ΔV along each orthogonal axis in equation (13) are simultaneously , and the value of ΔQ can be measured.
加速度計対からの出力信号と処理して上記方程式に対する解答を生成するために 用いられる装置は、第5図に示されている。信号処理システムの最も重要な要素 は、マイクロプロセッサ82である。特に図示しないが、マイクロプロセッサは 、ランダムアクセスメモリ(RA M )及びリードオンリーメモリ(ROM )を含み、後者は、各加速度肝対からの出力信号を処理するステップを実施する ためのデジタルプログラムを格納するのに役立つ、マイクロプロセッサ82は、 リード86によりタイミング及び制御ブロック84に接続され、これを介して制 御信号は、各加速度計対をNf&に振動させるのに用いられる周期的周波数を、 所定の時間間係で確立するために提供される。to process the output signal from the accelerometer pair to generate the answer to the above equation. The apparatus used is shown in FIG. The most important elements of a signal processing system is a microprocessor 82. Although not particularly shown, the microprocessor , Random Access Memory (RAM) and Read Only Memory (ROM) ), the latter carrying out the step of processing the output signal from each acceleration liver pair. A microprocessor 82 serves to store digital programs for the A lead 86 connects to a timing and control block 84 through which control is provided. The control signal has a periodic frequency used to oscillate each accelerometer pair to Nf & Provided for establishment at a predetermined time interval.
しかし、加速度計14及び16.並びに18及び20は、マイクロプロセッサ8 2とタイミング及び制御ブロック84とにより同様に接続され且つ制御されるこ とが理解されるだろ制御信号は、各加速度計対に対して周期的に生成される周波 数及びその位相関係を確立するために、タイミング及び制御ブロックにより提供 され、駆動信号発生器90に入力される。駆動信号発生器90は、加速度計10 及び12に電磁的に結合され、それらに周期間数sinωtによる周波数ωの前 後のディザ即ち振動を引き起こす、ωの値は、同期レートセンサ内で動作してい る全ての加速度計対に対して同一であってもよく、又は、非同期レートセンサ内 の多対に対して異なっていてもよい、それらに関連するレート軸の回りの角度回 転に基づく線形加速度及びコリオリ加速度の両方に応答して、1つの加速度計対 は、それぞれライン92及び94を通してカウンタ96及び98に入力される出 力信号S1及びS2を生成する。However, accelerometers 14 and 16. and 18 and 20 are microprocessor 8 2 and timing and control block 84. It will be understood that the control signal is a frequency that is periodically generated for each accelerometer pair. provided by timing and control blocks to establish the number and its phase relationship and is input to the drive signal generator 90. The drive signal generator 90 includes an accelerometer 10 and 12 and have a frequency before the frequency ω by the period number sin ωt. The value of ω, which causes the later dither or oscillation, is the value of ω operating within the synchronous rate sensor. may be the same for all accelerometer pairs in the The angular turns around the rate axis associated with them may be different for multiple pairs of One accelerometer pair in response to both linear acceleration and Coriolis acceleration based on are the outputs input to counters 96 and 98 through lines 92 and 94, respectively. Generate force signals S1 and S2.
信号S、及びS、は、タイミング及び制御ブロック84からリード100を介し て提供される上記信号5GNeosωtにより復調される。カウンタ96及び9 8からの復調された出力は、データライン102を介してマイクロプロセッサ8 2に入力されるカウントC1及びC2である。サーミスタは、加速度計10及び 12がさらされる環境内の温度を検出するために用いられ、これにより、適切な 温度のゲイン因子は、線形加速度及び角レートを解くために取り入れられてもよ い、温度センサ(図示せず)の出力は、リード104を通してマイクロプロセッ サ82に入力される。Signals S and S are routed from the timing and control block 84 via leads 100. The signal 5GNeosωt is demodulated by the signal 5GNeosωt. counters 96 and 9 The demodulated output from 8 is sent to microprocessor 8 via data line 102. 2 are the counts C1 and C2 that are input into the second section. The thermistor includes an accelerometer 10 and 12 is used to detect the temperature in the environment to which it is exposed, thereby A temperature gain factor may be incorporated to solve for linear acceleration and angular rate. The output of a temperature sensor (not shown) is connected to the microprocessor through lead 104. The signal is input to the sensor 82.
マイクロプロセッサ82は、一連のプログラムステップを実施し、慨してZ軸に 関して第6図に示したように、各軸に沿った速度の増分変化である八Vに対する 値を計算する。プロセッサ上のメモリ内に格納されるものは、温度の関数として 計測される各加速度計に関連した一組の特性ゲイン定数である。上述したように 、これらのゲイン定数は、Kll、Ki2、K21及びに、2である。マイクロ プロセッサ82は、第6図に示すように、ゲイン定数の関数として2つの定数「 b」及びrd、を決定し、これらの定数す及びdを、カウンタ96及び98によ り出力されるカラン) C+及びC2の関数としてのS rete及び5vel を計算するために用いる。上記のように、値S rateは、方程式(11)の 左辺(Δs−bΣS)と等しい。Microprocessor 82 performs a series of program steps, generally for the Z axis. As shown in Figure 6, for 8V, which is the incremental change in velocity along each axis, Calculate the value. What is stored in memory on the processor changes as a function of temperature. A set of characteristic gain constants associated with each accelerometer being measured. as mentioned above , these gain constants are Kll, Ki2, K21 and 2. micro The processor 82 calculates two constants as a function of the gain constant, as shown in FIG. b'' and rd, and these constants s and d are calculated by counters 96 and 98. Srete and 5vel as functions of C+ and C2 Used to calculate. As mentioned above, the value S rate is It is equal to the left side (Δs-bΣS).
第6図に示したΔ■に対する式は、方程式(13)の簡略化された形である。そ の式の分母は、加速度計対に対するΔVのゲインと一致し、既に説明したように 、Δθ2.5vel及びΔQの関数として決定されなければならない。The equation for Δ■ shown in FIG. 6 is a simplified form of equation (13). So The denominator of the equation corresponds to the gain of ΔV for the accelerometer pair, and as already explained, , Δθ2.5vel and ΔQ.
一旦、ΔVゲインが決定されると、Δ■の方程式はたやすく解かれる。Once the ΔV gain is determined, the Δ■ equation is easily solved.
方程式(13)は、全ディザ期間の次々の分数増分に対して解かれることができ 、速度の早い変化を反映するデータ、即ち、X、Y及びZ軸のそれぞれに沿った 加速度を提供する。従って、これらの軸の各々に対するΔVの値は、以下に説明 するように、各軸に対するΔθを解くために用いられてもよい、又は、ディザサ イクルの次々の分数増分部分を越えた速度の平均増分変化は、速度の短期間変化 をろ過して取り出すと共に方程式(13)の解決を簡略化するために計測されて もよい、もし、ΔVが各1/4デイザサイクルに対して決定されれば、そのよう なΔ■の値の4つの次々の合計は、以下の方程式を生成する。Equation (13) can be solved for successive fractional increments of the entire dither period. , data reflecting fast changes in velocity, i.e. along each of the X, Y and Z axes. Provide acceleration. Therefore, the values of ΔV for each of these axes are explained below. may be used to solve for Δθ for each axis, or a dithering The average incremental change in velocity over successive fractional increments of a cycle is the short-term change in velocity is measured to filter out and simplify the solution of equation (13). If ΔV is determined for each 1/4 dither cycle, then such The four successive sums of the values of Δ■ produce the following equation:
÷(2[1−(d/T ) XΔQ100]> (15)但し、ディザ周波数 は100Hzと等しい、方程式(15)において、 ΔQ1゜。” Q (tp) −Q (tp −4T p)(16)T=47. =2π/ω (17)である、但し、Q(tp)は電流 1/4デイザサイクルに対するレートQであり、Q (tp−47P)は時間的 に早い1つのディザ期間で現れる1/4サイクルで計測されるレートQである。÷(2[1-(d/T) XΔQ100]> (15) However, dither frequency is equal to 100Hz, in equation (15), ΔQ1°. ” Q (tp) - Q (tp - 4T p) (16) T = 47. =2π/ω (17), where Q(tp) is the current is the rate Q for 1/4 dither cycle, and Q (tp-47P) is the temporal is the rate Q measured in 1/4 cycle appearing in one dither period as early as .
従って、値Δ■1゜。は、加速度計10及び12に対する速度の増分変化の移動 平均からなり、その値において、ΔQ、。。の値は、時刻tpにおける電流角レ ートを評価することにより、又は、同時にそれを計算することにより決定される 。Therefore, the value Δ■1°. is the movement of the incremental change in velocity for accelerometers 10 and 12. Consists of the average, at its value, ΔQ,. . The value of is the current angle level at time tp. determined by evaluating the cost or by simultaneously calculating it. .
角度位置の増分変化Δθは、各1/4デイザサイクルに対して、方程式(11) を解くことにより決定される。方程式(11)の右辺は、信号カウントCI及び C2の和及び差と、コリオリ加速度内への特定方向力の結合に基づく誤差項とか らなる。この結合は、加速度計の非線形性に基づく、従来技術において、結合成 分は、全ディザ期間にわたって一定線形加速度と仮定することにより無視された 。従って、余弦復調は、ディザサイクルの第2の半期間に起こる線形加速度結合 に反して、第1の半期間の間に起こる線形加速度結合を相殺する0本体が角加速 度の早い変化を受ける動的環境において、線形加速度は、全ディザ期間にわたっ て一定ではない、従って、線形加速度の角レートとの結合は相殺せず、もし、正 確な解決が必要であっても無視できない。The incremental change in angular position Δθ is given by Equation (11) for each 1/4 dither cycle. It is determined by solving. The right side of equation (11) is the signal count CI and An error term based on the sum and difference of C2 and the coupling of a specific directional force within the Coriolis acceleration. It will be. This coupling is based on the non-linearity of the accelerometer, and in the prior art the coupling minutes were ignored by assuming constant linear acceleration over the entire dither period. . Therefore, cosine demodulation is a linear acceleration combination that occurs during the second half of the dither cycle. On the contrary, the zero body canceling the linear acceleration combination that occurs during the first half-period is the angular acceleration In a dynamic environment subject to rapid changes in speed, the linear acceleration remains constant over the entire dither period. is not constant, so the combination of linear acceleration with angular rate does not cancel, and if the Even if a definite solution is needed, it cannot be ignored.
この発明においては、ディザサイクルの先行分数部分における増分速度の経歴か ら、その効果の評価により線形加速度(特定方向力)結合に対して補償が提供さ れる。In this invention, the history of the incremental velocity in the leading fractional part of the dither cycle The evaluation of its effectiveness provides compensation for linear acceleration (specific directional force) coupling. It will be done.
方程式(11)の第2の積分から、1/4ディザ期間にわたる特定方向力結合は 、以下の方程式により与えられる。From the second integral of equation (11), the specific directional force coupling over the 1/4 dither period is , given by the following equation.
方程式(18)内の積分は、値が求めることができ、X (13ΔVp 2A VpVp−l +A vp−1’)を生成する。但し、我々は、積分期間にわ たる平均特定方向力Fが、T、で除算されたΔVと等しいと仮定する。The value of the integral in equation (18) can be determined as X (13ΔVp 2A VpVp-l+Avp-1') is generated. However, we Assume that the average specific directional force F is equal to ΔV divided by T.
方程式(19)の右辺は、たやすく値が求められるだろう。The value of the right-hand side of equation (19) can be easily found.
なぜなら、我々は、ΔV、及びΔVp−1に対する方程式(13)%式% 方程式(11)の右辺の項の第1グループ、即ち第18[分の被積分関数は、以 下のように、所望の角レートの残りの項を隔離するために展開されてもよい。Because we have equation (13) for ΔV and ΔVp-1 The first group of terms on the right-hand side of equation (11), i.e. the 18th integrand, is as follows: It may be expanded to isolate the remaining terms of the desired angular rate, as below.
(ip+dir”)= dz’P’+ d(4p Z(a) eosωt −2 xzR)P’+(−z+d2ρ2ω2)P: +(−2p (&) eO8ωt+ xR)P+d(4p xfJ+4p zQ ”+2p ”t 、φ(&l ”)(&l cosωtp+d2p”φ(L) ”(#: 、 −1/4t 、φ”) (1) cos3ωtp+ xQ −p QRsinωt −xQ2−p F’sinωt+ di/2ρ2φ2ω4ε 、 2 (20)但し、ε+ = (1+1/4φ2÷15/1 28φ4)、ε、 = 143/64φ2であり、φ=ρ/rである。方程式( 20)は、明らかに、コリオリ加速度の他の多くの項を含む、これらの他の項は 誤差を表わし、従って、減算されて、角レートに関係する所望の正確な情報を生 成しなければならない、dz’P’の項は、前後に振動するときの加速度計のデ ィザ運動に起因する求心加速度の非線形結合に対応する。d4ρzP’ωeO8 ωtの項は、コリオリ加速度及び求心加速度の非線形クロス結合を表わす、 − 2dxzRP’の項は、求心項であるR角レートとP角レートとの間の非線形ク ロス結合である。 −zP”の項は求心加速度である角レートPに対応する。d 2ρ2ω2P2の項は、2乗されたコリオリ加速度の直流成分である。(ip+dir”) = dz’P’+ d(4p Z(a) eosωt −2 xzR)P'+(-z+d2ρ2ω2)P: +(-2p (&) eO8ωt+xR)P+d(4p xfJ+4p zQ "+2p"t, φ(&l")(&l cosωtp+d2p"φ(L) "(#: , -1/4t, φ") (1) cos3ωtp+xQ -p QRsinωt −xQ2−p F’sinωt+di/2ρ2φ2ω4ε , 2 (20) However, ε+=(1+1/4φ2÷15/1 28φ4), ε, = 143/64φ2, and φ=ρ/r. equation( 20) obviously contains many other terms of the Coriolis acceleration, and these other terms are represents the error and is therefore subtracted to produce the desired accurate information related to the angular rate. The term dz’P’ must be the accelerometer data when it vibrates back and forth. corresponds to a nonlinear combination of centripetal accelerations due to oscillating motion. d4ρzP’ωeO8 The term ωt represents the nonlinear cross-coupling of Coriolis acceleration and centripetal acceleration, − The term 2dxzRP' is a nonlinear cross between the R angle rate and the P angle rate, which are centripetal terms. This is a loss combination. The term “−zP” corresponds to the angular rate P, which is the centripetal acceleration.d The term 2ρ2ω2P2 is the DC component of the squared Coriolis acceleration.
−2ρe08ωtの項は、実際のコリオリ加速度である。 xRPの項は、P角 レートP及びRカレート間の求心加速度結合である d4ρxQωeO8ωtp の項は、Q軸振動、即ち求心加速度とコリオリ加速度との間の非線形クロス結合 を表わす、 d’pzQ”ωcosωtPの項は、Qrate、即ち求心及びコ リオリ加速度の間の非線形クロス結合を表わす。The term -2ρe08ωt is the actual Coriolis acceleration. The term xRP is the P angle d4ρxQωeO8ωtp is the centripetal acceleration coupling between the rates P and Rcarrate The term represents the Q-axis vibration, i.e., the nonlinear cross-coupling between centripetal acceleration and Coriolis acceleration. The term d’pzQ”ωcosωtP, which represents Qrate, that is, centripetal and cos Represents a nonlinear cross-coupling between Rioli accelerations.
d2ρ2ε、φω3eO8ωtPの項は、本体加速度2とコリオリ加速度との間 の非線形クロス結合である。最後の項は、ディザ周波数の第3調波における本体 の加速度−°とコリオリ加速度との間の非線形クロス結合である。方程式(20 )において、いくつかの比較的微少な項は無視された。The terms d2ρ2ε, φω3eO8ωtP are between the body acceleration 2 and the Coriolis acceleration. is a nonlinear cross-coupling of The last term is the main body at the third harmonic of the dither frequency is a nonlinear cross-coupling between the acceleration −° and the Coriolis acceleration. Equation (20 ), some relatively small terms were ignored.
方程式(11)からコリオリ加速度を計測するためには、全ての3軸P、Q及び Rに対する角度位置の増分変化の過去の値を用いた貢献度を評価することにより 、方程式(20)内の上記各誤差項の数値を求めることが必要である。To measure the Coriolis acceleration from equation (11), all three axes P, Q and By evaluating the contribution using past values of the incremental change in angular position to R , it is necessary to determine the numerical values of each of the above error terms in equation (20).
方程式(20)内の各誤差項を評価するなめに用いられてもよい、いくつかの技 術があり、これらは当業者にとって一般的に周知である。この発明を適切に開示 するためにこれらの技術を説明する必要がないため、ここでは各項の詳細な値は 示さない。Several techniques may be used to evaluate each error term in equation (20). techniques, which are generally well known to those skilled in the art. Appropriate disclosure of this invention Since there is no need to explain these techniques in order to Not shown.
方程式(11)は、各レート軸X、Y及びZに対する全ディザ期間の各1/4サ イクルに対して解くことができる。Equation (11) calculates each quarter of the total dither period for each rate axis X, Y and Z. It can be solved for cycles.
又は、これらの軸の各々の回りの位置の増分変化の移動平均Δθは、以下の2つ の二次方程式即ち4階多項式の実根内で決定され得る。Or, the moving average Δθ of the incremental change in position about each of these axes is can be determined within the real roots of a quadratic equation, ie, a fourth-order polynomial.
C<P’+C3P3+CzP2+C+)”+CoP’=C1(21)総和期間に わたる角度位置の増分変化に対して決定される平均レート(好ましくは、ディザ 期間の4・つの次々の1/4サイクル部分と考えられる移動平均)は、方程式( 21)の2つの実根のうちの1つである。実現可能などのようなシステムに対し ても、最小絶対値の実根は実際に望まれる解である。方程式(2工)は、周知の 技術を用いることにより、その単一の所望解を解くことができる。方程式(21 )の係数は、方程式(11)で遂行される積分がら引き出される。方程式(19 )は方程式(11)の特定方向力結合部分(第2の積分)の数値を求め、一方、 方程式(20)は、方程式(11)の第1の積分の被積分間数を表わす。C<P’+C3P3+CzP2+C+)”+CoP’=C1(21) In the summation period The average rate (preferably dithered) determined for the incremental change in angular position over The moving average (considered as four successive quarter-cycle parts of the period) is expressed by the equation ( It is one of the two real roots of 21). For any possible system However, the real root of the smallest absolute value is actually the desired solution. The equation (2nd) is the well-known Techniques can be used to solve for that single desired solution. Equation (21 ) are derived from the integration performed in equation (11). Equation (19 ) calculates the value of the specific directional force coupling part (second integral) of equation (11), while Equation (20) represents the integrand of the first integral of equation (11).
一般に、係数C0からC1は、ディザ期間の先行する1/4サイクル部分から引 き出される慣性レートの評価を用いることにより、決定することができる。In general, coefficients C0 to C1 are derived from the preceding quarter cycle portion of the dither period. It can be determined by using an estimate of the inertia rate derived.
C,=(−z+d2.o”ω’)Tp (24)Ce = xQTp−zQ 2Tp−ρ[CQ R十P)/ ω]X [eos(ωt o)−cos(ωtn−+)]十dl/2ρ2φ2ω4ε+z’rp −dΔV(tn) +(d/ TP12)X[13ΔV(tn)4ΔV(tn) ΔV(tn−+)+Δν’(tn−+)]=(Σs−bΔ5) 上記方程式(22)から(26)において、係数は、R及びQに対する値を提供 する角レートの先行経歴から決定され、角速度ΔVの増分変化のこれらの値は、 を流の1/4ディザ期間即ちtnと、先行する1/4期fitn−,とに対して 決定される。C, = (-z+d2.o”ω’)Tp (24) Ce =xQTp-zQ2Tp-ρ[CQR0P)/ω]X[eos(ωt o) −cos(ωtn−+)] 10 dl/2ρ2φ2ω4ε+z’rp −dΔV(tn) +(d/TP12)X[13ΔV(tn)4ΔV(tn) ΔV(tn-+)+Δν'(tn-+)]=(Σs-bΔ5) In equations (22) to (26) above, the coefficients provide values for R and Q. These values of incremental change in angular velocity ΔV are determined from the prior history of the angular rate to be for the current 1/4 dither period, i.e. tn, and the preceding 1/4 period fitn-, It is determined.
第7図は角レートPを計測する処理を図式的に示す。FIG. 7 schematically shows the process of measuring the angular rate P.
マイクロプロセッサ82は、前述のように、ゲイン定数に依存した温度の間数と して決定されるb及びdに対する値を参照し、これらの値及び前に計算したΔV を用いて特定方向力成分Fを決定する。同様に、Qレート及びRレートの結合誤 差貢献度の評価は、それぞれd及びΔθq、並びにd及びΔθ「を用いてなされ る。誤差が結合されたディザ運動は、dに基づいて評価される。結局、Δθ、か ら結合された誤差は、過去の経歴、即ち先行する1/4期間の結果に基づいて評 価される。これらの項の各々は、その後、方程式(21)の係数を計算するため に、S rhLeと共に用いられる。マイクロプロセッサ82は、Δθ、を得る ためにその方程式の所望の実根を解き、ディザ1/4サイクルの分数期間T、で 除算してPを得る。このPの値は、Δθpの経歴を更新するために用いられる。The microprocessor 82, as described above, calculates the temperature range and temperature depending on the gain constant. With reference to the values for b and d determined by The specific direction force component F is determined using Similarly, the combination error of Q rate and R rate The evaluation of the differential contribution is made using d and Δθq, and d and Δθ'', respectively. Ru. The dithering motion combined with the error is evaluated based on d. After all, Δθ, The combined error is estimated based on the past history, i.e. the results of the previous quarter valued. Each of these terms is then used to calculate the coefficients of equation (21). It is used together with S rhLe. Microprocessor 82 obtains Δθ, Solve the desired real root of that equation for, with a fractional period T, of the dither 1/4 cycle. Divide to get P. This value of P is used to update the history of Δθp.
他のレートQ及びRは、同様の方法で計測される。Other rates Q and R are measured in a similar manner.
同一の周波数sinωtで振動する3対の加速度計を含む同期システムにおいて 、3つの直交軸に対応した3つのΔV及びΔθの値のために6つの連立非線形方 程式が得られる。前述したように、ΔVに対する方程式は、各加速度計からの出 力を記述した方程式から減結合されることができ、最初に解かれる。Δθに対す る3つの方程式は、その後、ΔVの結果を用いて解かれる。上記1つの方法の概 略を述べてきたが、摂動を通した線形化などにより、又は、許容限界誤差内の解 に到達するための反復を用いることにより、他の方法を用いた解法も得ることが できる。In a synchronous system containing three pairs of accelerometers vibrating at the same frequency sinωt , six simultaneous nonlinear methods for three values of ΔV and Δθ corresponding to three orthogonal axes. The equation is obtained. As mentioned above, the equation for ΔV is based on the output from each accelerometer. The force can be decoupled from the equation describing it and is first solved. for Δθ The three equations are then solved using the ΔV results. Overview of the above one method As mentioned above, it is possible to solve the problem by linearization through perturbation or by solving the solution within the tolerance limit error. By using iterations to reach , we can also obtain solutions using other methods. can.
第8図は、同期レートセンサにおいて、X、Y及びZ軸に対する速度の増分変化 がいかにして得られるかを概念的に示す、マイクロプロセッサ82は、ディザ期 間の前の1/4サイクル部分in−+を用いた、慣性レー)P、Q及びRの過去 の経歴から引き出された誤差補償評価を用いる。誤差補償評価は、直交レート軸 の電流1/4デイザサイクルに対する平均慣性角レートP、Q及びRを計算する ために、各X、Y及びZ軸に対するS rate及びΔVと結合される。同期レ ートセンサの加速度計から出力されるデータを処理するために、この発明を使用 することは、非同期レートセンサからのデータを処理するために用いられたとき よりも、もっと正確な解を提供する。Figure 8 shows the incremental change in velocity for the X, Y and Z axes for a synchronous rate sensor. The microprocessor 82 conceptually shows how the dither period can be obtained. The past of P, Q and R (inertial rays) using the previous 1/4 cycle part in-+ between using error-compensated estimates drawn from the history of Error compensation evaluation uses orthogonal rate axes Calculate the average angular rates of inertia P, Q and R for the current 1/4 dither cycle of is combined with S rate and ΔV for each X, Y, and Z axis. Synchronous record Use this invention to process data output from the accelerometer of a motor sensor When used to process data from an asynchronous rate sensor provides a more accurate solution than
異なる周波数で複数対の加速度計が駆動される非同期レートセンサシステムに対 する線形加速度及び角レートを解くために用いられる方法は、第9図に概念的に 示される。再び、第1のステップは、各軸に対する速度の増分変化を計測するた めのものである。その後、クロス結合により評価された誤差は、他の各レート軸 に対する時間的に最新の解を用いて計算される。最後に、各レート軸に対する平 均レートは、方程式(21)を解くことにより得られる。For asynchronous rate sensor systems where multiple pairs of accelerometers are driven at different frequencies. The method used to solve for linear acceleration and angular rate is shown conceptually in Figure 9. shown. Again, the first step is to measure the incremental change in velocity for each axis. It's a special thing. The error evaluated by cross-joining is then applied to each of the other rate axes. is computed using the temporally latest solution to . Finally, the average for each rate axis is The average rate is obtained by solving equation (21).
速度の増分変化及び角度位置の増分変化に対する上記各解は、3対の加速度計が 用いられたシステムに間するものであったが、一対の加速度計に関連した線形加 速度及び回転角レートを解くためにアナログ技術が用いられてもよい、Z軸と一 直線に配列された受感軸と共にY軸に沿って振動される一対の加速度計10及び 12に対して、2つの垂直平均慣性レートR及びQに基づく方程式13.19及 び20の全ての項は、角加速度Qに間する項と同様に、観測できないだろう、し かし、角レートに対する特定方向力の結合に起因する誤差成分、及び、加速度計 に用いられる水晶の非線形性に起因する本体の振動は、観測可能のままであろう 、又、検出されるレートの慣性角加速度も、観測可能であろう、従って、これら の誤差成分は、一対の加速度計に対する線形加速度及び角レートの計測において 改善されたデータレート及び結合に基づく残余誤差が除去されるように、ディザ サイクルの先行分数部分の間に前の解に基づいて解かれてもよく、又は、評価さ れてもよい、上述した角レート及び線形加速度を解くために用いられる方法は、 だいたい本質(例えば、ティラ一連続展開)であり、よく作用する。なぜなら、 それらは、従来技術によって完全にアドレスされない比較的小さい残余誤差を、 少なくとも小さい誤差が各完全サイクルにわたって主に相殺しない範囲まで計測 するからである。Each solution above for an incremental change in velocity and an incremental change in angular position requires that three pairs of accelerometers The linear acceleration associated with a pair of accelerometers was similar to the system used. Analog techniques may be used to solve for velocity and angular rate of rotation, aligned with the Z axis. A pair of accelerometers 10 vibrated along the Y axis with sensitive axes arranged in a straight line; 12, equations 13.19 and 2 based on the two vertically averaged inertia rates R and Q. All terms in and 20 will be unobservable, as will the terms between the angular acceleration Q, and error component due to the coupling of a specific directional force to the angular rate, and the accelerometer. Vibrations in the body due to the nonlinearity of the crystal used in the experiment will remain observable. , the inertial angular acceleration of the detected rate would also be observable, so these The error component of is in the measurement of linear acceleration and angular rate for a pair of accelerometers. Dithering for improved data rate and removal of combining-based residual errors may be solved or evaluated based on the previous solution during the preceding fractional part of the cycle. The method used to solve for the angular rate and linear acceleration described above, which may be It's mostly the essence (for example, Tira's continuous expansion), and it works well. because, They introduce relatively small residual errors that are not completely addressed by the prior art, Measure at least to the extent that small errors do not primarily cancel out over each complete cycle Because it does.
この発明の好ましい実施例は、全期間の1/4に等しいディザサイクルの分数部 分を用いる。角加速度及び線形加速度の変化の同等で更に高い解を達成するため に、更に小さい増分部分、例えば全ディザ期間の1/8又は1/16を用いるこ ともできるだろう、しかし、このデータの実時間計算は、現在手に入るマイクロ プロセッサの処理速度により制限される。従って、より速いマイクロプロセッサ が開発されて商業的に手に入るようになるので、ディザサイクルの更に短い増分 部分を用いて増加された解が達成できることが研究されている。A preferred embodiment of the invention provides a fractional portion of the dither cycle equal to 1/4 of the total period. Use minutes. To achieve equivalent and higher solutions for changes in angular acceleration and linear acceleration In addition, smaller increments, such as 1/8 or 1/16 of the total dither period, can be used. However, real-time computation of this data is difficult with currently available microprocessors. Limited by processor processing speed. Therefore, a faster microprocessor Even shorter increments of the dither cycle were developed and became commercially available. It has been investigated that an augmented solution can be achieved using parts.
この発明は、好ましい実施例に関して開示されてきたが、当業者は、以下に続く 請求の範囲の視野内で、ここで開示した装置及び方法に対して修正がなされても よいことを認めるだろう、従って、この発明の適用範囲が開示により制限される ことを意図せず、その代わりに、請求の範囲に対する言及により単独に決定され るべきである。Although this invention has been disclosed in terms of preferred embodiments, those skilled in the art will appreciate the following: Modifications may be made to the apparatus and method disclosed herein within the scope of the claims. It will be appreciated that the scope of this invention is therefore limited by the disclosure. is not intended to be, but instead is solely determined by reference to the claims. Should.
θ呵q2゜ 特表千2−502127(13) ?( 国際調査報告 m−1−Aeel’wbe*11v PCT/IJS88104071θ呵q2゜ Special table 12-502127 (13) ? ( international search report m-1-Aeel’wbe*11v PCT/IJS88104071
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